Original title:
Influence of wood structure on wood properties of tropical species
Authors:
Baar, Jan Document type: Doctoral theses
Year:
2014
Language:
eng Abstract:
[eng][cze] The presented thesis is focused on aesthetical and acoustic properties of tropical wood. The discussed tropical species are utilized in Europe mainly for their unusual appearance and colour in joinery and furniture production. The irreplacable acoustic properties like low internal friction predestine specific species for production of musical instruments. The colour of six selected tropical species - jatoba (Hymenea courbaril L.), massaranduba (Manilkara bidentata A. Chev.), muiracatiara (Astronium graveolens Jacq.), angelim amargoso (Vatairea spp.), angelim pedra (Hymenolobium spp.) and angelim vermelho (Dinizia excelsa Ducke) - were analyzed and expressed in CIEL*a*b* colour space. Subsequently the samples were exposed to artificial sunlight and the light-induced discolouration rate and progress was evaluated. The colour change was rapid in zhe first hours of exposure and all species showed a similar trend in lightness (L*) change - initial darkening replaced by gradual fading. The change in chromatic parameters (a* and b*) change was specific for individual species and probably related to the chemical composition of the extractives. The overall discolouration of lighter coloured wood samples is more distinctive. The extractive content of tropical species is usually high and determines wood colour. The wood of African Padauk (Pterocarpus soyauxii Taub) and Jatoba (Hymenaea courbaril L.) was extracted in a mixture of methanol, water and acetone. The total extractives and total phenolic content was measured. Extractive content was related to colour parameters and above all to lightness in both species. The increase in extractive content leads to a lighter and more yellow colouration of Jatoba wood while African Padauk was darker with a higher amount of extractives. In Jatoba, a positive correlation was found between extractive content and the rate of discolouration. The extractives are responsible for intensive discolouration of tropical woods in contrast to light coloured woods from the temperate zone, where the yellowing is primarily caused by lignin photodegradation. The sound velocity was measured by ultrasound and resonance longitudinal method in heartwood of doussie (Afzelia bipindensis), merbau (Intsia bijuga), wengé (Millettia stuhlmannii Taub.), muiracatiara (Astronium graveolens Jacq.) and zebrano (Microberlinia brazzavillensis). The sound velocity was not related to the density in any case. Although anatomical structural characteristics as fiber length or ray ratio positively influenced it. With longer fibers and slender rays the sound velocity increased. Other acoustic properties like dynamic young modulus of elasticity, specific modulus of elasticity, internal friction and acoustic conversion efficiency (ACE) were determined and were related to measured anatomical features. The differences in composition of wood tissue of individual species were the main source of departure between the assessed relationships. The wood with longer fibers and lower frequency of rays reached lower values of internal friction. The stiffness of wood characterized by the dynamic modulus of elasticity was correlated with fiber and ray tissue. A higher volume of fibers influenced the stiffness positively, while ray volume had the opposite effect on stiffness. Positive effects of fiber length and ray ratio were found for dynamic modulus of elasticity and for acoustic conversion efficiency as well. Both values increased with longer fibers and higher ray ratio. The sound velocity is the basis of some nondestructive techniques for determination of wood mechanical properties. The comparison of density and three dynamic moduli of elasticity (longitudinal and flexural resonance method and ultrasound method) in prediction of mechanical properties was carried out. The density was evaluated as a poor predictor when the samples are not straight-grained and defect free. The interlocked grain often occurred in tropical species and its presence influences the mechanical properties of wood but not wood density. The dynamic moduli of elasticity showed strong correlation with the static modulus of elasticity. Among nondestructive techniques, the weakest correlation was found for the ultrasound method, which is probably partially explained by different measuring mechanism. The prediction of the modulus of rupture is less accurate when the dynamic modulus of elasticity is compared with the static modulus of elasticity; however, it was still good in comparison with the density model.Předkládaná disertační práce je zaměřena na estetické a akustické vlastnosti tropického dřeva. Dřevo tropických dřevin je v Evropě využíváno zejména pro jeho neobvyklý vzhled a širokou škálu barev v stavebně-truhlářské výrobě a ve výrobě nábytku. Na druhé straně jsou některé tropické dřeva preferovány pro výrobu hudebních nástrojů díky svým nenahraditelným akustickým vlastnostem, jako je nízké vnitřní tření. U šesti vybraných tropických dřev - jatoba (Hymenea courbaril L.), massaranduba (Manilkara bidentata A. Chev.), muiracatiara (Astronium graveolens Jacq.), angelim amargoso (Vatairea spp.), angelim pedra (Hymenolobium spp.) a angelim vermelho (Dinizia excelsa Ducke) - byla analyzována jejich barva a popsána souřadnicemi CIEL*a*b*barevného prostoru. Vzorky byly následně vystaveny působení umělého slunečního světla a byla vyhodnocena míra a průběh vyvolané změny barvy. Během prvních hodin expozice došlo k rapidní změně barvy a všechny testované dřeva vykazovaly shodný průběh ve změně světlosti (L*) - počáteční ztmavnutí bylo vystřídáno pozvolným světláním povrchu. Změna chromatických parametrů barvy (a* a b*) byla specifická pro jednotlivé dřeviny a pravděpodobně byla podmíněná chemickou strukturou extraktivních látek. Celková změna barvy se výrazněji projevovala u světleji zbarvených vzorků. Obsah extraktivních látek ve dřevě tropických dřevin je zpravidla vyšší a jejich přítomnost ovlivňuje barvu dřeva. Dřevo afrického padouku (Pterocarpus soyauxii Taub) a jatoby (Hymenaea courbaril L.) bylo extrahováno ve směsi methanolu, destilované vody a acetonu. Následně byl stanoven celkový obsah extraktivní a fenolických látek v daném dřevě. U obou dřev byl zjištěn vliv obsahu extraktivních látek na parametry barvy, zejména však na její světlost. Dřevo jatoby s vyšším obsahem extraktiv bylo světlejší a více žluté, zatímco dřevo afrického padouku s rostoucím obsahem extraktivních látek vykazovalo tmavší zbarvení. Pozitivní korelace byla rovněž nalezena u dřeva jatoba mezi obsahem extraktivních látek a výši celkové změny barvy. Extraktivní látky jsou zodpovědné za intenzivní změny barvy tropických dřev, zatímco u světle zbarvených dřev z mírného pásma je jejich žloutnutí vyvolané fotodegradací ligninu. Rychlost šíření zvuku v podélném směru byla měřena u jádrového dřeva doussié (Afzelia bipindensis), merbau (Intsia bijuga), wengé (Millettia stuhlmannii Taub.), muiracatiara (Astronium graveolens Jacq.) a zebrano (Microberlinia brazzavillensis) pomocí ultrazvukové a rezonanční metody. Mezi rychlostí šíření zvuku a hustotou dřeva nebyla nalezena korelace ani u jednoho ze zkoumaných dřev. Rychlost šíření zvuku však byla ovlivněna délkou vláken nebo poměrem výšky a šířky dřeňových paprsků. Rychlost šíření zvuku se zvyšovala s rostoucí délkou vláken a štíhlostí dřeňových paprsků. Další akustické vlastnosti jako dynamický modul pružnosti, specifický modul pružnosti, vnitřní tření a účinnost akustické přeměny (ACE) byly rovněž ovlivněny měřenými parametry anatomické struktury dřeva. Hlavním zdrojem rozdílů mezi nalezenými závislostmi u jednotlivých dřev bylo zejména zastoupení jednotlivých anatomických elementů ve dřevě. Dřevo s delšími vlákny a nižší četností dřeňových paprsků dosahovalo nižších hodnot vnitřního tření. Tuhost dřeva charakterizována dynamickým modulem pružnosti byla korelována s podílem vláken a dřeňových paprsků ve dřevě. S rostoucím objemem vláken tuhost dřeva narůstala, zatímco se zvyšujícím se podílem dřeňových paprsků klesala. Délka vláken a poměr mezi výškou a šířkou dřeňových paprsků rovněž ovlivňovaly výši dynamického modulu pružnosti a současně i efektivitu akustické přeměny. Hodnoty obou veličin rostly s delšími vlákny a vyšším poměrem dřeňových paprsků. Některé nedestruktivní metody zkoušení mechanických vlastností dřeva vycházejí z měření rychlosti šíření zvuku. Hustota dřeva a tři dynamické moduly pružnosti (rezonanční podélná a ohybová, ultrazvuková metoda) byly použity k predikci mechanických vlastností vybraných tropických dřev. Hustota dřeva není vhodným parametrem, pokud dřevo není rovnovlákné a obsahuje vady. Točitost vláken je častým znakem tropických dřev a její přítomnost ovlivňuje výsledné mechanické vlastnosti dřeva, ale ne jeho hustotu. Všechny dynamické moduly pružnosti silně korelovaly se statickým modulem pružnosti dřeva. Ultrazvuková metoda však dosahovaly nejhorších výsledků, což je dáno pravděpodobně jejím odlišným mechanismem měření. Méně přesné předpovědi ve srovnání se statickým modulem pružnosti bylo dosaženo pomocí dynamického modulu pružnosti v případě meze pevnosti dřeva. I přesto bylo dosaženo lepší predikce, než pokud byla použita hustota dřeva.
Keywords:
akustické vlastnosti dřeva; anatomická struktura dřeva; barva dřeva; dynamický modul pružnosti; extraktivní látky; fotodegradace; hustota dřeva; rychlost šíření zvuku; tropical wood; tropické dřevo; změna barvy
guest ::
